(57)【要約】      （修正有）【課題】ワークに任意の流量及び圧力の熱媒体を供給することができる熱媒体循環装置を提供し、さらに燃料電池の耐久性を評価可能な評価装置を提供する。【解決手段】液体の熱媒体とワーク２との間で熱の授受を行う熱媒体循環装置１において、ワーク２内部の流体通路２ａに、熱媒体を供給する熱媒体供給回路２０を備え、熱媒体供給回路２０内の流路断面積を変更することなく熱媒体供給回路２０内の熱媒体を加圧する加圧手段３を備えた。熱媒体供給回路２０に、前記ワーク２の流体通路２ａ内を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整手段１７を備えた。熱媒体循環装置１で、燃料電池評価装置を構成するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の熱媒体とワークとの間で熱の授受を行う装置であって、
前記ワーク内部の流体通路に、前記熱媒体を供給する熱媒体供給回路を備えており、
前記熱媒体供給回路内の流路断面積を変更することなく熱媒体供給回路内の熱媒体を加圧する加圧手段を備えたことを特徴とする熱媒体循環装置。
【請求項２】
前記熱媒体供給回路に、前記ワークの流体通路内を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整手段を備えた請求項１に記載の熱媒体循環装置。
【請求項３】
前記加圧手段が、内部に２つの室を有する容器と加圧装置とを備えており、前記２つの室は、変形可能で気密性を有する膜で仕切られており、前記一方の室が、熱媒体供給回路内と連通しており、他方の室が、前記加圧装置で加圧される流体を収容している請求項１に記載の熱媒体循環装置。
【請求項４】
前記ワークを、燃料電池とした請求項１に記載の熱媒体循環装置。
【請求項５】
請求項１〜３のうちのいずれかに記載の熱媒体循環装置で、燃料電池の耐久性を評価する評価装置を構成したことを特徴とする燃料電池評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークに熱媒体を供給して、ワークの温度を制御する熱媒体循環装置と、燃料電池の耐久性を評価する評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ワークに熱媒体を供給して、ワークの温度を制御する熱媒体循環装置が、特許文献１に開示されている。特許文献１には、ワーク（反応容器）を冷却媒体及び加熱媒体が供給される熱媒体容器内に配置して、冷却及び加熱するための構成が開示されている。一般に、熱媒体循環装置は、ワークの温度を制御するためにのみ使用されている。
【０００３】
しかし、昨今では、熱媒体循環装置は、ワークの温度や圧力に対する耐久性を評価する評価装置としても使用されている。このようなワークとしては、燃料電池や内燃機関のシリンダブロック等があり、これらのワークの耐久性を評価することができる熱媒体循環装置の登場が望まれていた。
【０００４】
以下に一例を示す。
図３は、燃料電池８１（ワーク）を評価する従来の評価装置８０の系統図である。評価装置８０は、図示しないラジエータの代わりに燃料電池８１に取り付けられている。
【０００５】
図３に示すように、評価装置８０は、流体供給回路８５を備えている。流体供給回路８５は、燃料電池８１の冷却流体を通す流体通路８１ａに流体（熱媒体）を供給する。流体供給回路８５には、流体タンク８２、ポンプ８３、流量計（ＦＭ）８６、圧力計８７及び抵抗バルブ８４等が設けてある。流体供給回路８５内を流れる流体は、ポンプ８３の吐出力と、抵抗バルブ８４の開度調整により、所定の流量及び圧力となるように設定される。燃料電池８１は、設定された流量と圧力とで耐久性を評価（試験）される。
【０００６】
ところで、抵抗バルブ８４の開度を変更すると、流体供給回路８５内の圧力を調整することができるが、同時に流量まで変化してしまうため、所望する条件（流量、圧力）下での耐久性を評価するのが困難である。また、どのような吐出能力をもつポンプ８３を選定しても、抵抗バルブ８４で流路断面積を変更して圧力を調整する構成では、流体供給回路８５内の流体の圧力を流量に影響を及ぼさずに独立して制御することはできない。
【特許文献１】実開平６−６９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、ワークに所望する任意の流量及び圧力の熱媒体を供給することができる熱媒体循環装置を提供し、さらに燃料電池の耐久性を評価可能な評価装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１の発明では、液体の熱媒体とワークとの間で熱の授受を行う装置であって、前記ワーク内部の流体通路に、前記熱媒体を供給する熱媒体供給回路を備えており、前記熱媒体供給回路内の流路断面積を変更することなく熱媒体供給回路内の熱媒体を加圧する加圧手段を備えた。
【０００９】
請求項２の発明では請求項１の発明において、前記熱媒体供給回路に、前記ワークの流体通路内を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整手段を備えた。流量調整手段としては、熱媒体供給回路内に三方バルブで分岐するバイパス通路を設け、三方バルブの開度を調整することにより、一部の熱媒体をワークの流体通路に供給されないようにしてもよい。また、ポンプの吐出圧を制御する制御装置を設けるようにしてもよい。
【００１０】
請求項３の発明は請求項１の発明において、前記加圧手段が、内部に２つの室を有する容器と加圧装置とを備えており、前記２つの室は、変形可能で気密性を有する膜で仕切られており、前記一方の室が、熱媒体供給回路内と連通しており、他方の室が、前記加圧装置で加圧される流体を収容するようにした。
【００１１】
請求項４の発明では請求項１の発明において、前記ワークを、燃料電池とした。
【００１２】
請求項５の発明では、請求項１〜３のうちのいずれかに記載の熱媒体循環装置で、燃料電池の耐久性を評価する評価装置を構成した。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明では、熱媒体供給回路の流路断面積を変更することなく熱媒体供給回路内の熱媒体に圧力を加えることができる加圧手段を備えたので、加圧前と加圧後とで熱媒体供給回路内の熱媒体の流量を変化させることなく熱媒体の圧力を容易に所望する値に設定することができ、ワークの耐久性（耐熱性や耐圧性）を良好に評価することができる。
【００１４】
請求項２の発明では、熱媒体供給回路に、ワークの流体通路内を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整手段を備えたので、熱媒体供給回路内の圧力と流量とをそれぞれ独立して制御することができる。
【００１５】
請求項３の発明では、加圧装置で加圧された流体が、膜を介して熱媒体供給回路内の熱媒体を加圧するので、圧力の設定を極めて精度よく行うことができる。
【００１６】
請求項４及び請求項５の発明を実施すると、燃料電池の発電特性の最も良好な条件を見出すことができる。また、燃料電池が実際に使用されたときに呈する温度、流量及び圧力の値を、良好に実現することができるので、燃料電池の性能を的確に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の熱媒体循環装置として実施した燃料電池２（ワーク）の評価装置１の系統図である。評価装置１は、二点鎖線で示す燃料電池２の冷却流体通路２ａ（冷却流体を通す流体通路）に様々な温度、圧力及び流量の流体（液体の熱媒体）を供給することができる閉じた流体供給回路２０（熱媒体供給回路）を備えている。燃料電池２の冷却流体通路２ａに圧力をかけることで、燃料電池２の物理的な歪みに対する強度を評価（試験）する。また、流体の温度は、燃料電池２が実際に稼働した際に呈する温度となるように設定する。つまり、燃料電池２を評価するにあたって、仮想的に使用状態と同じ状態となるように環境設定を行う。
【００１８】
図１に示すように、流体供給回路２０には、流体タンク７、ポンプ９、ヒータ１０、三方バルブ１７（流量調整手段）、バイパス通路２１及び加圧機構３（加圧手段）が設けてある。また、流量計（ＦＭ）１１、１２と圧力計１３〜１６及び温度センサ３３、３４により、流体供給回路２０の各部の流体の流量、圧力及び温度を検出することができるようになっている。
【００１９】
以下、流体供給回路２０の構成を詳述する。
流体供給回路２０内を流れる流体は、流体タンク７から供給される。流体タンク７には、途中にバルブ７ａを備えた管路７ｂから、新たな流体を供給することができるようになっている。また、流体タンク７には、熱交換器８（冷凍機）が設けてある。熱交換器８は、燃料電池２の温度を、評価条件の温度に設定することができる能力を有するものを選定する。さらにポンプ９の下流側にはヒータ１０が設けてある。ヒータ１０は、流体供給回路２０内の流体の温度を上昇させる必要があるときに作動させる。流体は、流体供給回路２０を循環して流体タンク７に回収される。
【００２０】
図１において鎖線の範囲で示す加圧機構３は、圧力コンバータ４（容器）、電空レギュレータ５及びエアコンプレッサ６を備えている。圧力コンバータ４の内部には、樹脂製又はゴム製の膜４ａで仕切られた室４ｂ、４ｃが設けてある。膜４ａは変形可能であり且つ気密性を有している。室４ｂ内には、流体供給回路２０内の流体と同じ流体が充満しており、室４ｃには、エアコンプレッサ６（加圧装置）で加圧された空気が供給されている。電空レギュレータ５は、図示しない制御装置で制御されており、室４ｃへ供給する空気の量を調整するために設けてある。室４ｃの空気圧を増加させるほど、室４ｃ内の空気は、膜４ａを介して室４ｂ内の流体を押圧（加圧）し、その結果流体供給回路２０内の流体圧が上昇する。エアコンプレッサ６の代わりに各種シリンダ又は各種ポンプ（油圧式、空気圧式等）を使用してもよい。
【００２１】
流体供給回路２０には、三方バルブ１７で分岐されるバイパス通路２１が設けてある。三方バルブ１７は、図示しない制御装置により開度調整されている。燃料電池２の冷却流体通路２ａに供給する流体の流量は、三方バルブ１７（流量調整手段）の開度を調整することにより制御することができるようになっている。
【００２２】
流体供給回路２０の各部に設置した流量計１１、１２や圧力計１３〜１６及び温度センサ３３、３４が検出した流量、圧力及び温度の検出信号は、図示しない制御装置に入力され、制御装置は、これらの検出信号から現在の流体供給回路２０内の流体の流量、圧力及び温度を認識することができるようになっている。そして制御装置は、流体の流量、圧力及び温度を、燃料電池２の評価条件の流量、圧力及び温度となるように、三方バルブ１７、熱交換器８又はヒータ１０及び加圧機構３に制御信号を送る。
【００２３】
燃料電池２の冷却流体通路２ａに供給する流体の流量の調整は、ポンプ９の吐出量を一定に保ったまま、三方バルブ１７の開度を調整することにより行ってもよいが、三方バルブ１７の開度を一定に保持し、ポンプ９の吐出量をインバータ駆動で変更することにより行ってもよい。また、流体供給回路２０内に流す流体としては、例えば、水や不凍液（エチレングリコール水溶液）を採用する。
【００２４】
以上のように構成された評価装置１は、流体の流量、圧力及び温度を、容易に所望する値に設定することができ、様々な仕様の燃料電池２の耐久性の評価を適切に行うことができる。本実施形態の評価装置１は、加圧機構３で流体供給回路２０内の流体を加圧するようにしたので、流体の流量に影響を及ぼすことなく圧力のみを調整することができる。
【００２５】
図２は、図１とは別の本発明を実施した評価装置３０の系統図である。評価装置３０において、図１の評価装置１と同じ構成には同じ符号を付してあり、その作用効果も同じなので、以下では評価装置１と異なる加圧機構２２（加圧手段）の構成についてのみ説明する。
【００２６】
評価装置３０の加圧機構２２は、図１の評価装置１の加圧機構３の代わりに設けたものである。加圧機構２２は、ＣＰＵ３１で制御されるサーボモータ２３、サーボモータ２３で駆動される回転軸２４、ピストン２８を備えたシリンダ２９等で構成されている。
【００２７】
回転軸２４にはねじが切ってあり、このねじに係合部材２５が螺合している。係合部材２５は、ピストン２８に一体固着されたロッド２７に固定されている。シリンダ２９内には流体供給回路２０内の流体の一部が流入した室２９ａが形成されている。つまり、室２９ａは、流体供給回路２０内と連通している。
【００２８】
サーボモータ２３を駆動し、回転軸２４を正転させると、係合部材２５と一体のピストン２８が室２９ａ内の流体を加圧し、さらに流体供給回路２０内の流体が加圧される。回転軸２４を逆転させると、流体供給回路２０内の圧力は減圧される。
【００２９】
このような加圧機構２２は、図１の加圧機構３と同様に、流体供給回路２０の流路断面積を変更する必要がないので、流体供給回路２０内の流体の流量に影響を及ぼすことなく圧力のみを変化させることができる。したがって、評価装置３０は、加圧機構２２を備えることにより、燃料電池２の耐久性を様々な流量、圧力の条件下で評価することができる。特に、圧力及び流量の上昇／下降特性を、例えばリニアに変化させる制御に対して、良好な応答性が得られるので有利である。
【００３０】
一般に、高圧ポンプを採用すると、流体の流量は少量となるため、大流量が必要な評価条件の燃料電池を評価することが出来ない。また、低圧ポンプを採用すると、流量は確保することができるが、高圧力を得ることができない。
【００３１】
従来の評価装置では、たとえポンプを高圧タイプのものと低圧タイプのものとを交換可能にしたとしても、評価条件（流量と圧力）を任意に変更して、燃料電池の評価を行うことは困難であった。しかし、本発明を実施した評価装置１では、低圧ポンプを採用しても、流体供給回路２０内の流体の圧力は、加圧機構３で加圧することができるので、様々な評価条件（高圧低流量、低圧低流量、高圧高流量及び低圧高流量）を実現することができる。したがって、同一のポンプを使用して燃料電池２の評価条件を様々に設定することができ、適切に燃料電池２の評価を行うことができる。
【００３２】
一例を挙げると、従来の評価装置では、例えば圧力を３００ｋＰａに設定する場合には、流量は１〜５[ｌ／ｍｉｎ]の範囲に限定されてしまう。つまり、高圧ポンプを選定した時点で、低流量の評価しかできなくなるのである。燃料電池で動作する車では、流量が２００[ｌ／ｍｉｎ]の性能を有するラジエータが必要である。しかし、従来の評価装置では、圧力を３００ｋＰａ、流量を２００[ｌ／ｍｉｎ]に設定することは不可能であった。
【００３３】
しかし、本発明の熱媒体循環装置を評価装置１（図１）及び３０（図２）として実施して燃料電池２を評価すると、燃料電池２の発電特性の最も良好な条件を見出すことができる。また、流体の流量をポンプ９の吐出能力に応じた流量に設定し、圧力は任意に設定することができる。燃料電池２が、実際に使用されたときに呈する温度、流量及び圧力の値を評価装置１、３０で良好に実現することができるので、燃料電池２の性能を的確に評価することができる。
【００３４】
上述の例では、熱媒体循環装置を燃料電池の評価装置として実施する例を示したが、熱媒体循環装置は、その他の評価装置（試験装置）として実施することもできる。例えば、内燃機関（ワーク）をマイナス３０度における低温起動試験を行う際には、内燃機関をマイナス３０度まで冷却しなければならない。このようなときにも本発明の熱媒体循環装置を実施して、内燃機関をマイナス３０度まで冷却することができる。
【００３５】
上述のように実施した熱媒体循環装置は、熱媒体の温度と圧力及び流量をそれぞれ独立に任意に設定することができるので、ワークを様々に環境設定することができる。つまり、熱媒体循環装置は、ワークを様々な温度に設定する汎用のプロセス装置としても実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の熱媒体循環装置を実施した燃料電池評価装置の系統図である。
【図２】図１とは別の本発明を実施した燃料電池評価装置の系統図である。
【図３】従来の燃料電池評価装置の系統図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池評価装置（熱媒体循環装置）
２  燃料電池（ワーク）
３  加圧機構（加圧手段）
４  圧力コンバータ（容器）
４ａ  膜
４ｂ  熱媒体を収容する室
４ｃ  気体を収容する室（加圧装置で加圧される流体を収容する室）
５  電空レギュレータ
６  エアコンプレッサ（加圧装置）
７  流体タンク
８  熱交換器
９  ポンプ
１０  ヒータ
１７  三方バルブ（流量調整手段）
２０  流体供給回路（熱媒体供給回路）
２１  バイパス通路
２２  加圧機構（加圧手段）
２３  サーボモータ
２４  回転軸
２５  係合部材
２８  ピストン
２９  シリンダ
２９ａ  室
３０  燃料電池評価装置（熱媒体循環装置）
【図１】
2005353399.tif 000003
【図２】
2005353399.tif 000004
【図３】
2005353399.tif 000005